基于ADAMS 的农业机械仿真设计分析

济宁市兗州区兴隆庄街道农业综合服务中心 刘磊

在农业机械化发展进程中，马铃薯农业机械的发展进度迟缓，近年来水平才明显提升，国外马铃薯收获机械的生产应用率明显降低，联合收获机则得到了极大发展，基本已经实现了马铃薯收获机械化。在日常农具中也开始应用高新技术，如振动、液压技术，利用传感技术控制喂入量，我国在该领域的技术研发进度比较迟缓，目前主要集中在中小型悬挂式集条收获机研制推广阶段，各类农业机械用具的技术水平与国外发达国家依然有较大差距[1]。近年来我国部分地区研制的小型收获机设备初试成功，如4UL-2 型马铃薯联合收获机、1650 型带臂式联合收获机等。但是目前传统机械设计方法，依然要面临低效率、低精度、粗略性与近似性结论的问题，为了缩减机械系统设计周期，降低成本投入，提高设备效率与精度，本文将提出基于ADAMS的农业机械仿真设计研究，运用ADAMS 软件建立农业机械仿真模型，优化设计获得最佳工作参数。

1 ADAMS 软件

ADAMS 为机械系统动力学，由美国MDI 公司研发，具备可视化View，高效求解Solver 与强大功能处理模块，在应用中集建模、求解、可视化等多项技术优势于一体化虚拟样机仿真分析软件，是目前广泛使用的权威多体动力学仿真分析软件[2]。在软件使用中可以利用交互式环境、约束库、零件库、力库等，建立参数化机械模型，运用多体动力学理论拉格朗日方程法，建立系统动力学方程，使后处理模块获得输出速度、位移、力度曲线。运用该软件建立复杂虚拟样机，能够在短时间内迅速获得优化后机械设备的相关性能参数，这样一来能够对物理样机的高额研制费用与次数有效减少，从而极大地提升了产品设计质量与研发时间、成本，在农业、工业、交通、机械设计制造等行业得到广泛应用[3]。

2 收获机设备工作原理

4UX-550 型马铃薯收获机设备结构如图1 所示。设备运行中经拖拉机动力输出轴、万向联轴器总成，向偏心轴传递动力，旋转带动前后两个摆臂，转变旋转运动为左右摆动，摆臂摆动带动抖动筛往复运动，马铃薯铲入土层向前运动，在抖动筛内挖起土与马铃薯分离后，在作业带一侧分布马铃薯块，摆动筛可以经筛面振动在掘起物内分离马铃薯，这样在筛面激励下不仅有沿着筛面进行的下行运动，还包括沿着筛面的上行运动与跃起，实现马铃薯抖动与抛落。该机械设备的主要技术参数为：配套动力 13.3～22.1kW，550mm 幅宽，218kg 机具自重，13.5mm 偏心距，150～250 挖掘深[4]。

图1 马铃薯收获机结构图

3 ADAMS 机械仿真建模

3.1 设计分析流程

因为ADAMS 机械系统动力学软件具备简化可实现三维建模功能，在处理复杂不规则系统与不规则零件几何时，处理难度就会随之增加，因此通常采用专业三维建模与动力学仿真软件完成。Pro/E 的建模功能尤为强大，能够方便零部件建模装配，联合ADAMS 软件仿真，即可提高复杂机械系统虚拟样机的整体性能[5]。在联合其他软件设计的过程中，首先要建立Pro/E 的各零件三维特征模型，依据具体设计需求干涉所要装的配零部件，向ADAMS 中依据特定格式导入模型，即可完成ADAMS 软件中设定的约束、驱动、相关仿真参数，并进行动力学仿真分析[6]。

3.2 几何建模

本研究设计的马铃薯收获机的几何建模步骤如下：

（1）传动轴与偏心轮、中筛臂、摇臂的关键点坐标见表2，对各关键点完成分别定义；（2）使用Cylinder 在A、B 各点建立偏心轮，设计偏心轮的具体方向，使用LInk 在 C 点建立前筛摇臂，在 G 点建立后筛摇臂；（3）使用 Plate 在 C、D、E 点建立筛中筛臂，在 G、F、H 点建立筛中筛臂；（4）使用Cylinder 与Box 工具与布尔运算，成功建立摆动筛几何模型；（5）依次建立飞轮、悬挂架、铲具与其他构件的几何建模。

表1 关键点坐标

4 测试样机建模优化设计研究

4.1 初始建模与模型参数化

根据马铃薯收获机的几何模型，建立样机初始模型，设定540r/min 输出轴加载转速，加载0.2s，50 步仿真分析，对摆动筛质心速度与加速度参数进行测量（如图 2、图 3 所示）。

图2 前筛质心加速度

图3 前筛质心速度

通过处理马铃薯收获机的摆动筛传动机构，根据机构在仿真软件中完成各关节点的变量创建，设计变量值包括 POINT_1～POINT_8 与 Loc_x、Loc_y[7]。

4.2 样机模型设计

本文以4UX-550 型马铃薯收获机为例，该设备前后摆动筛交替摆动，相反运动，仅仅对前筛设计展开研究。在试验中，在筛面的倾角为0°～10°时，设计最适用的加速度值，分别为 15～20m/s2、35～40m/s2，在此条件下能够成功分离70%～75%土壤，设计筛面筛物的移动速度范围为0.25～0.5m/s。为了确保最优化分离，将摆动筛的平均加速度取值设为40m/s2，优化设计摆动机构。根据设定的各设备结构变量取值范围，对不同设计变量下所造成的摆动筛加速度影响进行观察，设计前摆动筛加速度均值，具体变量见表2。

表2 设计变量

根据上述设计变量在DV_1～DV-8 中，对机械摆动筛加速度进行均值研究，以获得不同变量取值相应的加速度均值变化情况,发现其中 1、2、4、6、8 达到最大敏感度，DV_1 决定了机械偏心轮的半径值，DV_2 对偏心轮的半径不造成任何影响，所以DV_2 在优化设计摆动机构中不做考虑。表3 为本次研究的设计对应结果情况。

表3 设计研究结果

5 样机模型优化设计

在导入模型后，运用ADAMS 软件设计仿真环境，包括单位、重力、栅格平面方向等。为了尽可能减少ADAMS 仿真软件的仿真计算量，可以使用布尔运算的合并指令，合并同样功能的不同零件为统一零件。因为在该仿真软件中导入各零件，均为无质量几何体，这都需要后期加工生产添加零件属性，对于接触运动物体则需要添加合理范围内的接触作用力，最后虚拟样机运动能够在转动动力曲柄轴的基础上设计旋转方向。根据机构动力学完成仿真设计，运用ADAMS 绘制相关部位的速度、位移、轨迹、加速度、驱动力等参数[8]。结合本次研究设计建模，对上述分析中最大敏感度的几项关键参数，使用Design Variable、Modify 显示数据浏览器，选定可修改数据变量对话框，在选项框内选择输入设设计变量的最大、最小极值，即成功修改了设计变量，如表4 所示。根据多次迭代运算获得DV_1 为463.51，DV_4 为 130.40，DV_6 为 -44.984，DV_8 为-310.55，其中最优点为 41.457m/s2，与 40m/s2这一理论最优值最为接近。

表4 修改设计变量

6 结语

总而言之，在本研究中通过使用ADAMS 仿真软件，对4UX-550 型马铃薯收获机进行动态仿真设计，可获对收获机设备装置造成影响的关键参数，也就是偏心轮偏心半径与中筛臂的臂长，并获得马铃薯收获机在最佳设备分离状态下的关键参数。经设计对比仿真结果可得，4UX-550 型马铃薯收获机的机械传动机构设计合理，经模型优化设计所得仿真结果中的最优点为41.457m/s2，与40m/s2这一理论最优值最为接近。将ADAMS 应用于农业机械设计中，可以对机械结构与各部件功能进行模拟，并且发现设计阶段的样机缺陷，对其进行改进能够有效完善农业机械方案。